EP1101938A1 - Propulseur à plasma à dérivé fermée d'électrons à vecteur poussée orientable - Google Patents

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EP1101938A1
EP1101938A1 EP99403313A EP99403313A EP1101938A1 EP 1101938 A1 EP1101938 A1 EP 1101938A1 EP 99403313 A EP99403313 A EP 99403313A EP 99403313 A EP99403313 A EP 99403313A EP 1101938 A1 EP1101938 A1 EP 1101938A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coils
channels
plasma thruster
thruster according
acceleration
Prior art date
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Granted
Application number
EP99403313A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1101938B1 (fr
Inventor
Dominique Valentian
Eric Klinger
Michel Lyszyk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1101938A1 publication Critical patent/EP1101938A1/fr
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
    • F03H1/0062—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field
    • F03H1/0075—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field with an annular channel; Hall-effect thrusters with closed electron drift

Definitions

  • the invention relates to a closed drift plasma thruster. of electron with orientable thrust vector, comprising at least one channel main ring of ionization and acceleration equipped with an anode and means for supplying ionizable gas, a magnetic creation circuit of a magnetic field in said main annular channel, and a hollow cathode associated with means for supplying ionizable gas.
  • the orientation of the thrust vector of ion propellants or closed electron drift thrusters enables operations to be carried out attitude control by tracking the thrust vector from the center of gravity of the satellite or on the contrary to eliminate the parasitic couples in aligning the thrust vector so as to follow the displacements of the center of gravity of the satellite induced by thermal deformations and depletion of propellants.
  • Ion bombardment thrusters thus use generally a mechanical thrust orientation device.
  • the electromagnetic deflection seemed the most suitable. Indeed, the field electric in a plasma thruster is determined by the field magnetic radial in the air gap. If we vary in azimuth the field magnetic radial also varies the electric field. The deformation of the equipotentials then causes an angular deviation of the push vector.
  • the outer pole piece is divided into four sectors, each sector being mounted on a magnetic core with a coaxial coil.
  • the differential supply of the coils allows modify the azimuthal distribution of the magnetic field.
  • EP 0 800 196 A1 also discloses a system thrust orientation according to which four coils mounted on four magnetic cores in the shape of an arc of a circle allow to vary the radial magnetic field in azimuth.
  • a simple way to control the push vector can be to use several thrusters whose thrust is individually controlled.
  • the invention aims to remedy the aforementioned drawbacks and in particular to allow control of the thrust vector using a system that does not excessively increase the mass of the whole shipped and its cost, and therefore does not include a set complete with multiple thrusters, while ensuring easy and efficient control of the thrust vector orientation, with sufficiently large deflection angles, and without the creation of non-controllable asymmetries.
  • a plasma drift thruster closed electron with orientable thrust vector comprising at least one main annular ionization and acceleration channel equipped with an anode and means for supplying ionizable gas, a magnetic circuit of creation of a magnetic field in said main annular channel, and a hollow cathode associated with gas supply means ionizable, characterized in that it comprises a plurality of channels main ionization and acceleration annulars having axes not parallel which converge on the outlet side downstream of said channels main annulars, in that the magnetic circuit creating a magnetic field comprises a first external downstream pole piece common to all annular canals, a second pole piece external common to all the annular canals and arranged upstream of the first external downstream pole piece, a plurality of pole pieces internal in number equal to the number of main annular channels and mounted on the first cores arranged around the axes of the channels main annulars, a plurality of first coils arranged respectively around the plurality of first nuclei, a plurality of second
  • the axes of the main annular ionization channels and acceleration converge on the geometric axis of the thruster and can form angles between 5 ° with the geometric axis of the propellant and 20 °.
  • Each main annular ionization and acceleration channel includes an anode associated with a distributor supplied with ionizable gas by means of a pipe connected by an isolator to a regulator of debit.
  • the hollow cathode is supplied by a pipe connected by a insulator to a pressure drop member.
  • the flow regulators and the pressure drop device are supplied by a common pipe controlled by a solenoid valve.
  • the propellant includes an electrical power circuit for establish the discharge between the hollow cathode and the anodes and the discharge oscillators of the main annular channels are decoupled by filters placed between the cathode and the anodes.
  • the propellant includes control loops including sensors current and a current regulator acting on the flow regulators and receiving a total discharge current setpoint and at least one push vector deviation setpoint for control according to au minus one axis, the ion discharge and acceleration current being controlled by a magnetic field distribution determined by said magnetic circuit in which the plurality of first coils and the plurality of second coils are connected in series between the cathode and the negative terminal of the power supply circuit.
  • Flow regulators can be made up of thermocapillaries controlled by servo loops discharge currents or alternatively by metering micro solenoid valves thermal, piezoelectric or magnetostrictive actuator.
  • the flow range in each annular channel main is between 50% and 120% of the nominal flow.
  • the number of second coils can be between 4 and 10.
  • the propellant can include two main annular canals, or three canals main annulars distributed in a triangle around the axis of the thruster or another four main annular canals distributed in a square around the thruster axis.
  • the number of second coils is a multiple of the number of main annular channels, the coils of each subset of second coils assigned to each channel is connected in series and the different subsets of second coils are mounted in parallel, the impedances of the coils connected in series being equal.
  • the number of second coil is a multiple of the number of annular channels main ionization and acceleration and the coils of each of sub-assemblies of second coils allocated to the different channels are powered by a current vernier.
  • the propellant comprises a digital loop for controlling the orientation of the vector thrust, the instructions for total thrust and deflection of the vector thrust being given in digital form, and the deviation of the thrust vector having priority over the thrust setpoint total in the event of incompatibility between the two instructions.
  • the propellant comprises a common base playing the role of radiator and housing for electrical connections and fluidics.
  • the means for regulating the flow of the ionizable gas supply receives two deviation instructions from push vector for control along two axes.
  • the propellant comprises two main annular ionization and acceleration channels allowing to carry out a control along a first axis using the means for regulating the flow rate of the supply of ionizable gas, and there further comprises mechanical means of articulation of the base of the propellant around another axis.
  • the propeller base is articulated around the second axis with a maximum angle of 50 °.
  • the propeller base is articulated around said second axis on two bearings prestressed by at least a flexible membrane mounted on a fixed platform and directly fixed to the base, the center of gravity of the mobile assembly being located at vicinity of the axis of rotation and the angle of rotation being controlled by a electric motor and a gearbox ensuring angular locking.
  • Figures 1 to 3 show a two-channel plasma thruster main annulars 124A, 124B arranged side by side and defining a essentially rectangular configuration.
  • Axes 241A, 241B of two channels 124A, 124B are inclined at an angle 242 relative to the axis geometric 752 of the propellant.
  • a single hollow cathode 140 is associated with the two main channels 124A, 124B.
  • a conventional plasma thruster with a single annular channel main such as that shown in Figure 16, in principle includes four external coils 31 associated with an external pole piece 34.
  • Internal pole pieces 135A, 135B are mounted on first cores 138A, 138B arranged around the axes 241A, 241B of the main annular channels 124A, 124B, and are therefore equal in number the number of annular channels 124A, 124B.
  • Internal coils or first coils 133A, 133B arranged around the first cores 138A, 138B are also equal in number to the number of channels annulars 124A, 124B ( Figure 3).
  • the external coils 131 are mounted on second cores 137 arranged in free spaces formed between the main annular channels 124A, 124B.
  • the kernels 137 of the coils 131 are connected in their downstream part to the pole piece downstream external 134.
  • Another upstream external pole piece 311 comprising portions 311A, 311B arranged around the annular channels 124A, 124B is arranged upstream of the first external downstream pole piece 134 ( Figures 3 and 15).
  • Channels 124A, 124B and the magnetic circuit elements are integral with a base 175, preferably of light alloy, which plays the role of radiator.
  • the electrical and fluid connections are housed in cavities formed in this base.
  • the magnetic circuit can be produced for example in a way similar to that described in US Patent 5,359,258 or in a way similar to that described in French patent application 98 10674 filed August 25, 1998, and illustrated in Figures 3 and 15.
  • each annular channel such as 124A is delimited by walls insulating 122A, is open at its downstream end and has a section of frustoconical shape at its upstream part and cylindrical at its downstream part.
  • a annular anode 125A has a profiled section in the form of a trunk of cone open downstream.
  • Anode 125A may have slots 117A made in the massive part 116A of the anode 125A to increase the contact surface with the plasma.
  • 120A gas injection holes ionizable from a 127A ionizable gas distributor are formed in the wall of the anode 125A.
  • the 127 A distributor is supplied with gas ionizable by a 126A pipe.
  • Anode 125A can be supported compared to the pieces 122A of ceramic material delimiting the channel 124A, for example by a solid 114A baluster with circular section and by at least two balusters 115A thinned into flexible blades.
  • a 300A isolator is interposed between line 126A and anode 125A which is connected by an electrical connection 145A to the positive pole of the electrical supply of the anode-cathode discharge.
  • the internal pole piece 135A is extended by a core central axial magnet 138 A which is itself extended to the part upstream of the thruster by a plurality of radial arms 352A connected to a second internal conical pole piece 351A.
  • a second internal magnetic coil 132A can be placed in the upstream part of the second internal pole piece 351A, outside of the latter.
  • Field magnetic of the internal coil 132A is channeled by radial arms 136 placed in the extension of the radial arms 352A, as well as by the external pole piece 311A and internal pole piece 351A.
  • a weak air gap 361 can be provided between the radial arms 352A and the arms radial 136.
  • Sheets of superinsulating material forming a screen 130A are arranged upstream of the annular channel 124A and the sheets of material super insulation 301A forming a screen are also interposed between the channel 124A and the internal coil 133A.
  • 130A, 301A screens eliminate most of the flux radiated through channel 124A to coils 133A, 132A and the base 175.
  • cathode 140 As part of the 124A multi-channel plasma thruster, 124B according to the invention it is possible to use a single cathode 140 for supply the two channels 124A, 124B. Indeed, cathode 140 creates a plasma cloud which makes its positioning relatively insensitive by relative to one of the beams and moreover the axes 241A, 241B of the channels 124A, 124B being convergent, this results in a crossing of the beams of plasma which considerably reduces the impedance between the beams. It is however not excluded to add a redundant cathode if this is necessary, especially if the number of channels is higher or equal to four.
  • the two-channel thruster 124A, 124B of FIGS. 1 to 3 allows control of the thrust vector along an axis.
  • Three-channel propellant configurations 124A to 124 C allow control of the vector pushed along two axes.
  • each channel 124A to 124C is surrounded by four external coils 131 in a "diamond" configuration. Some coils 131 cooperate with two neighboring channels, so the total number of external coils 131 is reduced to 7 instead of 12.
  • the number of ampere-turns of the external coils 131 is adjusted in depending on the perimeter of pole pieces to be supplied. This number ampere-turns is identical for the four most central coils while the three external coils 131 located in the vicinity of the vertices of the triangle defined by channels 124A to 124C include the two thirds of the number of turns of the 131 central external coils.
  • the other main elements of the three-channel propeller 124A, 124B, 124C are similar to those of the two-channel thruster 124A, 124B, in particular with regard to the common light alloy base 175, the common cathode 140, the magnetic cores 138A to 138C of the internal coils 133A to 133C and the magnetic cores 137 of external coils 131 connected together by a network of bars ferromagnetic 136.
  • Figures 7 and 8 show a thruster with three annular channels main 124A, 124B, 124C which does not differ from the embodiment of the Figures 5 and 6 only by the number and arrangement of the external coils 131.
  • each main annular channel 124A, 124B, 124C is surrounded by five coils forming an irregular pentagon.
  • This irregularity is due to the angle of channel convergence, which is around 10 °.
  • a regular pentagon could be obtained if the channel convergence angle was more important, of the order of 37 °.
  • Some of the external coils 131 are playing a role simultaneously for two or three channels 124A to 124C, so that the total number of external coils 131 is reduced to 10 instead of 15.
  • the common pole piece 134 averages the field.
  • Figures 7 and 8 are interesting for large thrusters, for which it is better to split the coils 131 in order to lighten the outer pole piece 134.
  • the pole piece 134 and the base 175 have the shape of an irregular hexagon with six external coils 131 placed in the vicinity of the vertices of the hexagon and four external coils 131 distributed in a star between the three channels 124A to 124C.
  • Figures 9 and 10 show a four-channel thruster main annulars 124A, 124B, 124C, 124D arranged essentially in square and associated with nine external coils 131.
  • Each channel 124A to 124D is surrounded by four external coils 131.
  • External coils 131 play a role vis-à-vis several channels. Only the coils 131 located near the corners of pole piece 134 and the base 175 of essentially square shape, play a role vis-à-vis only one single channel 124A to 124D. In this way, the number of external coils 131 can be reduced from 16 to 9.
  • the angle must be increased 242 from axes 241A to 241D relative to axis 752, this angle 242 becoming double that expected in the case of a twin thruster canals.
  • the two main annular channels 124A, 124B and their six associated external coils 131 ensure flexible and easy control the orientation of the vector pushed along a first axis, with an angle can be between 5 ° and 20 °.
  • Means of mechanical orientation uniaxes allow to control the orientation of the pushed vector according to a second axis, with a significant angle 783, for example of the order of 50 °.
  • a uniaxial mechanical orientation system is much simpler, lighter and more robust than a system two-axis mechanical orientation.
  • the center of gravity 751 of the thruster can be located on the axis of rotation 782 of the orientation device, which then dispenses with use a blocking device.
  • Angular locking can indeed be obtained directly using a control mechanism of irreversible rotation comprising for example an electric motor 177 and a reduction gear 179.
  • the axis of rotation 782 of the cradle 175 of the propellant mechanically oriented can be materialized by two bearings with oblique contact 178 capable of withstanding dynamic forces during from the launch of the propellant.
  • At least one of the contact bearings oblique 178 can be mounted on an elastic membrane 781 allowing guarantee constant and independent prestressing of gradients thermal preventing jamming, as described for example in European patent 0 325 073.
  • the elastic membrane 781 is itself mounted on a fixed base 176. Electrical connections are ensured by flexible cables and the ionizable gas supply by elastic pipes.
  • the two-channel thruster 124A, 124B with orientation uniaxial mechanics is particularly useful when it comes to pointing the vector pushed at a large angle on an axis and at an angle lower on the other.
  • the control of the vector thrust is obtained by supplying propellant fluid separately several main annular ionization and acceleration channels 124A to 124D included in a common magnetic circuit 134, connected to a single hollow cathode 140 and single 190 power supply (figure 4).
  • a sensor current is located on the current return line (at a neighboring potential of the mass, because equal to the cathode potential minus the voltage drop in the coils)
  • the current of each anode it is also necessary to measure the current of each anode.
  • the anode potential being 300 V
  • a Hall effect sensor on the axis of two wound solenoids in opposition, each solenoid being traversed by the current of a anode.
  • FIG. 4 shows the electrical diagram of a thruster with three channels 124A to 124C (therefore with three anodes 125A to 125C).
  • Each anode 125A to 125C is connected to the common power supply via a filter consisting of an L-C circuit (911A to 911C). This allows to decouple the frequencies of oscillations between each channel which can be slightly different due to the different mass flow rates.
  • FIG. 4 The diagram of Figure 4 is naturally applicable to a mode four-channel embodiment 124A to 124D such as that of FIGS. 9 and 10. In this case, only an additional branch is added whose items are assigned the letter D.
  • a chamber in each branch corresponding to a channel 124A to 124D, includes an anode 125A to 125D and a distributor 127A to 127D, supplied with ionizable gas by means of a pipe 118A to 118D, an isolator (300A to 300D) and a flow regulator (185A to 185D), connected by a section of common supply line 126 controlled by a solenoid valve 187.
  • the common pipeline 126 also feeds the hollow cathode 140 by means of a pressure drop 186 and an insulator 300. The discharge is established between the hollow cathode 140 and the anodes 125A to 125D by means of a circuit power supply 191.
  • the discharge oscillations of the different channels are decoupled by filters 911A to 911D placed between the different anodes 125A to 125D and the cathode 140.
  • the current of discharge of each anode is controlled by a servo loop comprising a current sensor 193A to 193D, preferably at galvanically isolated, a regulator 192 receiving a setpoint 922 from push vector deviation for one axis control, or two setpoints 922 push vector deviation for two-axis control, and one setpoint 921 for total discharge current.
  • the discharge current and the acceleration of the ions are controlled by the field distribution magnetic determined by the downstream external pole piece 134 common to all channels, the upstream external pole piece 311 common to all channels, the external coils 131 mounted on the cores 137 and the internal pole pieces 135A to 135D mounted on the cores 138A to 138D fitted with coils 133A to 133D.
  • the ends of all pole pieces have toroidal profiles coaxial with axes 241A to 241D channels 124A to 124D.
  • Internal coils 133A to 133D and external 131 are connected in series between the cathode and the negative terminal of the circuit power supply 191 while the different cores are connected to upstream by ferromagnetic bars 136. Regulation circuits allow to define in each channel 124A to 124D a flow range typically between 50% and 120% of the nominal flow.
  • the number of coils external 131 is a multiple of the number of main annular channels 124A to 124D, the coils of each subset of coils 131 assigned to each channel 124A to 124D are connected in series and the different subsets of coils 131 are mounted in parallel, the impedances of the coils connected in series being equal.
  • the number of external coils 131 is a multiple of the number of annular channels 124A to 124D and the coils of each of the subsets of coils 131 assigned to the different channels are powered by a current vernier.
  • a digital loop is provided control of the thrust vector orientation, the instructions for total thrust and deviation of the thrust vector being given under numerical form, and the thrust vector deviation instruction a priority over the total thrust setpoint in the event of incompatibility between the two instructions.
  • the multi-channel propellant according to the invention is capable of providing the same thrust control capability as a single thruster mounted on a plate allowing a 3 ° travel.
  • the variation in thrust which is thus of the order of 20%, is easily controllable.
  • additional mass of on-board ionizable gas on a satellite such as a 150kg telecommunications satellite
  • the additional on-board mass is more than 12kg.

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Abstract

Le propulseur comprend sur une même platine plusieurs canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération (124A, 124B) présentant des axes non parallèles (241A, 241B) qui convergent du côté de la sortie des canaux (124A, 124B). Un circuit magnétique (131, 134, 136, 311) assure la création d'un champ magnétique dans les canaux annulaires (124A, 124B). Le propulseur comprend en outre une cathode creuse (140), des moyens pour réguler le débit d'alimentation en gaz ionisable de chaque canal annulaire (124A, 124B) et des moyens de contrôle du courant de décharge et d'accélération des ions dans les canaux (124A, 124B). Le contrôle de l'orientation du vecteur poussée du propulseur peut être effectué sans augmenter de façon sensible la masse du propulseur. <IMAGE>

Description

Domaine de l'invention
L'invention concerne un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons à vecteur poussée orientable, comprenant au moins un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération équipé d'une anode et de moyens d'alimentation en gaz ionisable, un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans ledit canal annulaire principal, et une cathode creuse associée à des moyens d'alimentation en gaz ionisable.
Art antérieur
L'orientation du vecteur poussée des propulseurs ioniques ou des propulseurs à dérive fermée d'électrons permet d'effectuer des opérations de contrôle d'attitude en dépointant le vecteur poussée du centre de gravité du satellite ou au contraire d'éliminer les couples parasites en alignant le vecteur poussée de manière à suivre les déplacements du centre de gravité du satellite induits par les déformations thermiques et l'épuisement des ergols.
Cette nécessité a été reconnue dès les années 1970. Les mécanismes de contrôle du vecteur poussée étant par nature assez complexes, de nombreuses tentatives ont été effectuées pour remplacer ce contrôle de poussée mécanique par un contrôle électrostatique ou électromagnétique.
Dans le cas des propulseurs ioniques à bombardement, la déviation électrostatique a pu paraítre la plus adaptée. La technique la plus couramment utilisée a consisté à diviser chaque trou de grille accélératrice en quatre secteurs dont le potentiel peut être contrôlé indépendamment, l'angle de déviation pouvant atteindre 3°. Toutefois, aucune réalisation industrielle n'a été effectuée avec ce type de technique.
Les propulseurs ioniques à bombardement utilisent ainsi généralement un dispositif d'orientation de poussée mécanique.
A titre d'exemple, on peut citer les propulseurs Hughes XIPS 13 sur le satellite HS 601 HP et les propulseurs RIT 10 et UK 10 sur le satellite expérimental ARTEMIS.
En ce qui concerne les propulseurs à dérive fermée d'électrons, la déviation électromagnétique a paru la plus adaptée. En effet, le champ électrique dans un propulseur à plasma est déterminé par le champ magnétique radial dans l'entrefer. Si on fait varier en azimut le champ magnétique radial on fait varier également le champ électrique. La déformation des équipotentielles provoque alors une déviation angulaire du vecteur poussée.
Cette solution est présentée par exemple dans le document US-A-5 359 258.
Dans un tel cas, la pièce polaire externe est divisée en quatre secteurs, chaque secteur étant monté sur un noyau magnétique avec une bobine coaxiale. L'alimentation différentielle des bobines permet de modifier la répartition azimutale du champ magnétique.
Cette disposition n'a toutefois jamais été utilisée sur un propulseur opérationnel.
On connaít aussi par le document EP 0 800 196 A1 un système d'orientation de poussée selon lequel quatre bobines montées sur quatre noyaux magnétiques en forme d'arc de cercle permettent de faire varier le champ magnétique radial en azimut.
Si les différentes techniques de contrôle électromagnétique du vecteur poussée d'un propulseur à dérive fermée d'électrons permettent d'obtenir des angles de déviation jusqu'à 3°, elles présentent une série d'inconvénients dus à la physique même de ces propulseurs. En particulier, le fait d'augmenter localement le champ électrique change la position de la zone d'érosion. Le profil d'usure, au lieu d'être axisymétrique sera ainsi plus prononcé d'un côté (le déplacement du centre de gravité d'un satellite est déterministe). Dans la mesure où il faut changer la consigne de pointage du faisceau, l'interface entre le plasma et la paroi usée du canal ne sera pas symétrique. Il en résultera une usure plus prononcée du côté préalablement soumis à une usure modérée mais surtout un déplacement du seuil d'usure, ce qui peut fortement perturber le fonctionnement.
Il faut aussi noter qu'un essai de durée de vie est difficile à spécifier avec un dispositif de contrôle électromagnétique. En effet, dès lors que la durée de vie risque d'être fonction de la loi de commande du vecteur poussée, il devient quasiment impossible de démontrer que la loi de commande du vecteur poussée utilisée en essai de durée de vie est plus sévère qu'une loi aléatoire rencontrée en fonctionnement réel.
Un autre inconvénient est lié à la chute de rendement importante lorsque le faisceau d'ions (le vecteur poussée) est dévié.
En effet, dans un propulseur axisymétrique, rien ne s'oppose au mouvement de dérive des électrons dans le canal annulaire sous l'effet des champs croisés électrique et magnétique (d'où le nom de propulseurs à dérive fermée d'électrons).
Si l'on décale les parois du canal vis-à-vis des pièces polaires, on constate une diminution du rendement qui est due à l'augmentation des collisions électrons-parois.
Le même effet se produit si l'on augmente localement le champ magnétique. Il sera aggravé par une usure asymétrique.
Un moyen simple de contrôler le vecteur poussée peut consister à utiliser plusieurs propulseurs dont on contrôle individuellement la poussée.
Il est alors très facile de fixer la direction et l'amplitude du vecteur poussée résultant et la durée de vie devient indépendante de la loi d'orientation de poussée. Un tel procédé présente cependant l'inconvénient d'être très coûteux dès lors qu'il faut au moins trois propulseurs et trois alimentations électriques.
Objet et description succincte de l'invention
L'invention vise à remédier aux inconvénients précités et notamment à permettre un contrôle du vecteur poussée à l'aide d'un système qui n'augmente pas exagérément la masse de l'ensemble embarqué et son coût, et par suite ne comprenne pas un ensemble complet de propulseurs multiples, tout en permettant d'assurer une commande aisée et efficace de l'orientation du vecteur poussée, avec des angles de déviation suffisamment importants, et sans qu'il soit créé de dissymétries non contrôlables.
Ces but sont atteints grâce à un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons à vecteur poussée orientable, comprenant au moins un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération équipé d'une anode et de moyens d'alimentation en gaz ionisable, un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans ledit canal annulaire principal, et une cathode creuse associée à des moyens d'alimentation en gaz ionisable, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération présentant des axes non parallèles qui convergent du côté de la sortie aval desdits canaux annulaires principaux, en ce que le circuit magnétique de création d'un champ magnétique comprend une première pièce polaire aval externe commune à tous les canaux annulaires, une deuxième pièce polaire externe commune à tous les canaux annulaires et disposée en amont de la première pièce polaire aval externe, une pluralité de pièces polaires internes en nombre égal au nombre de canaux annulaires principaux et montées sur des premiers noyaux disposés autour des axes des canaux annulaires principaux, une pluralité de premières bobines disposées respectivement autour de la pluralité de premiers noyaux, une pluralité de deuxièmes bobines montées sur des deuxièmes noyaux disposés dans des espaces libres ménagés entre les canaux annulaires principaux, lesdits deuxièmes noyaux des deuxièmes bobines étant reliés entre eux dans leur partie amont par des barres ferromagnétiques et étant reliés dans leur partie aval à ladite première pièce polaire aval externe, et en ce qu'il comprend des moyens pour réguler le débit de l'alimentation en gaz ionisable de chaque canal annulaire principal et des moyens de contrôle du courant de décharge et d'accélération des ions dans les canaux annulaires principaux.
Les axes des canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération convergent sur l'axe géométrique du propulseur et peuvent former avec l'axe géométrique du propulseur des angles compris entre 5° et 20°.
Chaque canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération comprend une anode associée à un distributeur alimenté en gaz ionisable au moyen d'une canalisation reliée par un isolateur à un régulateur de débit.
La cathode creuse est alimentée par une canalisation reliée par un isolateur à un organe de perte de charge.
Les régulateurs de débit et l'organe de perte de charge sont alimentés par une canalisation commune contrôlée par une électrovanne.
Le propulseur comprend un circuit d'alimentation électrique pour établir la décharge entre la cathode creuse et les anodes et les oscillateurs de décharge des canaux annulaires principaux sont découplés par des filtres placés entre la cathode et les anodes.
Pour contrôler les courants de décharge des anodes, le propulseur comprend des boucles d'asservissement comprenant des capteurs de courant et un régulateur de courant agissant sur les régulateurs de débit et recevant une consigne de courant de décharge total et au moins une consigne de déviation de vecteur poussée pour un contrôle selon au moins un axe, le courant de décharge et d'accélération des ions étant contrôlé par une distribution de champ magnétique déterminée par ledit circuit magnétique dans lequel la pluralité de premières bobines et la pluralité de deuxièmes bobines sont montées en série entre la cathode et la borne négative du circuit d'alimentation électrique.
Les régulateurs de débit peuvent être constitués par des thermocapillaires contrôlés par des boucles d'asservissement des courants de décharge ou encore par des microélectrovannes de dosage à actuateur thermique, piézoélectrique ou magnétostrictif.
Les capteurs de courant peuvent être à isolation galvanique pour mesurer le courant de chacune des anodes à un potentiel de plusieurs centaines de volts.
Avantageusement, la plage de débit dans chaque canal annulaire principal est comprise entre 50 % et 120% du débit nominal.
Le nombre de deuxièmes bobines peut être compris entre 4 et 10.
Selon divers modes de réalisation possibles, le propulseur peut comprendre deux canaux annulaires principaux, ou trois canaux annulaires principaux répartis en triangle autour de l'axe du propulseur ou encore quatre canaux annulaires principaux répartis en carré autour de l'axe du propulseur.
Selon un mode particulier de réalisation, le nombre des deuxièmes bobines est un multiple du nombre de canaux annulaires principaux, les bobines de chaque sous ensemble de deuxièmes bobines attribué à chaque canal sont montées en série et les différents sous-ensembles de deuxièmes bobines sont montés en parallèles, les impédances des bobines montées en série étant égales.
Selon un autre mode particulier de réalisation, le nombre des deuxièmes bobines est un multiple du nombre de canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération et les bobines de chacun des sous-ensembles de deuxièmes bobines attribués aux différents canaux sont alimentées par un vernier de courant.
Selon un mode particulier de réalisation, le propulseur comprend une boucle numérique d'asservissement de l'orientation du vecteur poussée, les consignes de poussée totale et de déviation du vecteur poussée étant données sous forme numérique, et la consigne de déviation du vecteur poussée ayant priorité sur la consigne de poussée totale en cas d'incompatibilité entre les deux consignes.
Avantageusement, le propulseur comprend une embase commune jouant le rôle de radiateur et de logement pour les connexions électriques et fluidiques.
Selon un mode de réalisation, les moyens pour réguler le débit de l'alimentation en gaz ionisable reçoivent deux consignes de déviation de vecteur poussée pour un contrôle selon deux axes.
Selon un mode de réalisation particulier, le propulseur comprend deux canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération permettant d'effectuer un contrôle selon un premier axe à l'aide des moyens pour réguler le débit de l'alimentation en gaz ionisable, et il comprend en outre des moyens mécaniques d'articulation de l'embase du propulseur autour d'un autre axe.
Dans ce cas, l'embase du propulseur est articulée autour du second axe avec un angle maximum de 50°.
Selon un aspect particulier, l'embase du propulseur est articulée autour dudit second axe sur deux roulements précontraints par au moins une membrane souple montée sur une plate-forme fixe et directement fixés à l'embase, le centre de gravité de l'ensemble mobile étant situé au voisinage de l'axe de rotation et l'angle de rotation étant contrôlé par un moteur électrique et un réducteur assurant le verrouillage angulaire.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
  • la figure 1 est une vue schématique de côté montrant un premier exemple de propulseur à plasma selon l'invention, à deux canaux annulaires principaux,
  • la figure 2 est une vue de face prise de l'aval montrant le propulseur à plasma de la figure 1,
  • la figure 3 est une vue en perspective, avec coupe partielle, d'un mode particulier de réalisation du propulseur à plasma selon les figures 1 et 2,
  • la figure 4 est un schéma électrique et fluidique d'un deuxième exemple de propulseur à plasma selon l'invention, à trois canaux annulaires principaux,
  • la figure 5 est une vue schématique de côté montrant un exemple de propulseur à plasma selon l'invention, à trois canaux annulaires principaux répartis en triangle à sept bobines externes,
  • la figure 6 est une vue de face prise de l'aval montrant le propulseur à plasma de la figure 5,
  • la figure 6 A est un schéma montrant l'inclinaison des canaux du propulseur des figures 5 et 6,
  • la figure 7 est une vue schématique de côté montrant un autre exemple de propulseur à plasma selon l'invention, à trois canaux annulaires principaux répartis en triangle et à dix bobines externes,
  • la figure 8 est une vue de face prise de l'aval montrant le propulseur à plasma de la figure 7,
  • la figure 9 est une vue schématique de côté montrant un exemple de propulseur à plasma selon l'invention, à quatre canaux annulaires principaux répartis en carré et à neuf bobines externes,
  • la figure 10 est une vue de face prise de l'aval montrant le propulseur à plasma de la figure 9,
  • la figure 10A est un schéma montrant l'inclinaison des canaux du propulseur des figures 9 et 10,
  • la figure 11 est une vue schématique de côté montrant encore un autre exemple de propulseur à plasma selon l'invention, à deux canaux annulaires principaux et six bobines externes, équipé en outre d'un axe de pointage mécanique,
  • la figure 12 est une vue de face prise de l'aval montrant le propulseur à plasma de la figure 11,
  • la figure 13 est une vue de côté prise selon la flèche F de la figure 12 et montrant des détails de réalisation de l'axe de pointage mécanique,
  • la figure 14 est une vue en perpective avec coupe axiale, d'une anode pouvant être incorporée dans chacun des canaux annulaires principaux du propulseur selon l'invention,
  • la figure 15 est une vue en demi-coupe axiale, montrant un mode de réalisation possible d'un canal annulaire principal d'un propulseur selon l'invention, et
  • la figure 16 est une vue de côté montrant un propulseur à plasma de l'art antérieur, comprenant un seul canal annulaire principal et des moyens de pointage mécanique.
Description détaillée de modes particuliers de réalisation de l'invention
Dans la description qui suit de différents exemples de propulseurs à plasma à dérive fermée d'électrons munis de plusieurs canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération, les éléments semblables des différents canaux annulaires principaux, ou associés aux différents canaux, porteront les mêmes références, mais suivies de la lettre A, B, C ou D selon qu'il s'agit d'un premier, d'un deuxième, d'un troisième ou d'un quatrième canal annulaire d'un même propulseur.
Les figures 1 à 3 montrent un propulseur à plasma à deux canaux annulaires principaux 124A, 124B disposés côte à côte et définissant une configuration essentiellement rectangulaire. Les axes 241A, 241B des deux canaux 124A, 124B sont inclinés d'un angle 242 par rapport à l'axe géométrique 752 du propulseur. Une cathode creuse unique 140 est associée aux deux canaux principaux 124A, 124B.
Un propulseur à plasma classique à un seul canal annulaire principal, tel que celui représenté sur la figure 16, comprend en principe quatre bobines externes 31 associées à une pièce polaire externe 34.
Dans le cas d'un propulseur à plasma selon l'invention, à deux canaux principaux 124A, 124B, il est possible de fusionner les deux bobines externes adjacentes 131 situées au voisinage de la partie médiane entre les deux canaux 124A, 124B. De la sorte, il est possible de n'utiliser que six bobines externes 131 reliées à une pièce polaire externe commune 134 présentant une forme de V très ouvert (figures 1 et 2)
Des pièces polaires internes 135A, 135B sont montées sur des premiers noyaux 138A, 138B disposés autour des axes 241A, 241B des canaux annulaires principaux 124A, 124B, et sont donc en nombre égal au nombre de canaux annulaires 124A, 124B. Des bobines internes ou premières bobines 133A, 133B disposées autour des premiers noyaux 138A, 138B sont également en nombre égal au nombre de canaux annulaires 124A, 124B (figure 3).
Les bobines externes 131, ou deuxièmes bobines, sont montées sur des deuxièmes noyaux 137 disposés dans des espaces libres ménagés entre les canaux annulaires principaux 124A, 124B. Les noyaux 137 des bobines 131 sont reliés dans leur partie aval à la pièce polaire aval externe 134. Une autre pièce polaire externe amont 311 comportant des portions 311A, 311B disposées autour des canaux annulaires 124A, 124B est disposée en amont de la première pièce polaire aval externe 134 (figures 3 et 15).
Les canaux 124A, 124B et les éléments de circuit magnétique sont solidaires d'une embase 175, de préférence en alliage léger, qui joue le rôle de radiateur. Les connexions électriques et fluides sont logées dans des cavités ménagées dans cette embase.
Le circuit magnétique peut être réalisé par exemple d'une manière similaire à celle décrite dans le brevet US 5 359 258 ou d'une manière semblable à celle décrite dans la demande de brevet français 98 10674 déposée le 25 août 1998, et illustrée sur les figures 3 et 15.
Si l'on considère plus particulièrement les figures 3, 14 et 15, on voit que chaque canal annulaire tel que 124A est délimité par des parois isolantes 122A, est ouvert à son extrémité aval et présente une section de forme tronconique à sa partie amont et cylindrique à sa partie aval. Une anode annulaire 125A présente une section profilée en forme de tronc de cône ouvert vers l'aval. L'anode 125A peut présenter des fentes 117A réalisées dans la partie massive 116A de l'anode 125A pour augmenter la surface de contact avec le plasma. Des trous 120A d'injection d'un gaz ionisable provenant d'un distributeur 127A de gaz ionisable sont formés dans la paroi de l'anode 125A. Le distributeur 127 A est alimenté en gaz ionisable par une canalisation 126A. L'anode 125A peut être supportée par rapport aux pièces 122A en matériau céramique délimitant le canal 124A, par exemple par une colonnette massive 114A à section circulaire et par au moins deux colonnettes 115A amincies en lames flexibles. Un isolateur 300A est interposé entre la canalisation 126A et l'anode 125A qui est reliée par une liaison électrique 145A au pôle positif de l'alimentation électrique de la décharge anode-cathode.
La pièce polaire interne 135A est prolongée par un noyau magnétique axial central 138 A qui est lui-même prolongé à la partie amont du propulseur par une pluralité de bras radiaux 352A reliés à une deuxième pièce polaire interne amont conique 351A. Une deuxième bobine magnétique interne 132A peut être placée dans la partie amont de la deuxième pièce polaire interne 351A, à l'extérieur de celle-ci. Le champ magnétique de la bobine interne 132A est canalisé par des bras radiaux 136 placés dans le prolongement des bras radiaux 352A, ainsi que par la pièce polaire externe 311A et la pièce polaire interne 351A. Un faible entrefer 361 peut être ménagé entre les bras radiaux 352A et les bras radiaux 136.
Des feuilles de matériau superisolant formant écran 130A sont disposées en amont du canal annulaire 124A et des feuilles de matériau superisolant 301A formant écran sont également interposées entre la canal 124A et la bobine interne 133A. Les écrans 130A, 301A éliminent l'essentiel du flux rayonné par le canal 124A vers les bobines 133A, 132A et l'embase 175.
Dans le cadre du propulseur à plasma à plusieurs canaux 124A, 124B selon l'invention il est possible d'utiliser une seule cathode 140 pour alimenter les deux canaux 124A, 124B. En effet, la cathode 140 crée un nuage de plasma qui rend son positionnement relativement insensible par rapport à l'un des faisceaux et de plus les axes 241A, 241B des canaux 124A, 124B étant convergents, cela entraíne un croisement des faisceaux de plasma qui diminue considérablement l'impédance entre les faisceaux. Il n'est toutefois pas exclu d'ajouter une cathode redondante si cela s'avère nécessaire, notamment si le nombre de canaux est supérieur ou égal à quatre.
Le propulseur à deux canaux 124A, 124B des figures 1 à 3 permet un contrôle du vecteur poussée selon un axe.
Des configurations de propulseur à trois canaux 124A à 124 C, telles que celles représentées sur les figures 5 à 8 permettent un contrôle du vecteur poussée selon deux axes.
Dans le mode de réalisation des figures 5 et 6, les axes 241A, 241B, 241C des trois canaux annulaires principaux 124A, 124B, 124C disposés en triangle convergent vers l'axe 752 du propulseur. Chaque canal 124A à 124C est entouré par quatre bobines externes 131 dans une configuration "en diamant". Certaines bobines 131 coopèrent avec deux canaux voisins, de sorte que le nombre total de bobines externes 131 est ramené à 7 au lieu de 12.
Le nombre d'ampères-tours des bobines externes 131 est ajusté en fonction du périmètre de pièces polaires à alimenter. Ce nombre d'ampères-tours est identique pour les quatre bobines les plus centrales tandis que les trois bobines externes 131 situées au voisinage des sommets du triangle défini par les canaux 124A à 124C comportent les deux tiers du nombre de tours des bobines externes 131 centrales.
Les autres éléments principaux du propulseur à trois canaux 124A, 124B, 124C sont semblables à ceux du propulseur à deux canaux 124A, 124B, notamment en ce qui concerne l'embase commune en alliage léger 175, la cathode commune 140, les noyaux magnétiques 138A à 138C des bobines internes 133A à 133C et les noyaux magnétiques 137 des bobines externes 131 reliés entre eux par un réseau de barres ferromagnétiques 136.
Les figures 7 et 8 montrent un propulseur à trois canaux annulaires principaux 124A, 124B, 124C qui ne diffère du mode de réalisation des figures 5 et 6 que par le nombre et la disposition des bobines externes 131.
Dans le cas du mode de réalisation des figures 7 et 8, il existe dix bobines externes 131. Celles-ci sont réparties de telle sorte que chaque canal annulaire principal 124A, 124B, 124C soit entouré par cinq bobines formant un pentagone irrégulier. Ce caractère irrégulier est dû à l'angle de convergence des canaux, qui est de l'ordre de 10°. Un pentagone régulier pourrait être obtenu si l'angle de convergence des canaux était plus important, de l'ordre de 37°. Certaines des bobines externes 131 jouent un rôle simultanément pour deux ou trois canaux 124A à 124C, de sorte que le nombre total de bobines externes 131 est ramené à 10 au lieu de 15. La pièce polaire commune 134 moyenne le champ.
La disposition des figures 7 et 8 est intéressante pour de gros propulseurs, pour lesquels il est préférable de fractionner les bobines externes 131 afin d'alléger la pièce polaire externe 134. La pièce polaire externe 134 et l'embase 175 présentent la forme d'un hexagone irrégulier avec six bobines externes 131 placées au voisinage des sommets de l'hexagone et quatre bobines externes 131 réparties en étoile entre les trois canaux 124A à 124C.
Les figures 9 et 10 montrent un propulseur à quatre canaux annulaires principaux 124A, 124B, 124C, 124D disposés essentiellement en carré et associés à neuf bobines externes 131. Chaque canal 124A à 124D est entouré par quatre bobines externes 131. Des bobines externes 131 jouent un rôle vis-à-vis de plusieurs canaux. Seules les bobines 131 situées au voisinage des angles de la pièce polaire 134 et de l'embase 175 de forme essentiellement carrée, ne jouent un rôle vis-à-vis que d'un seul canal 124A à 124D. De la sorte, le nombre de bobines externes 131 peut être ramené de 16 à 9.
Pour obtenir une déviation déterminée, il faut augmenter l'angle 242 des axes 241A à 241D par rapport à l'axe 752, cet angle 242 devenant le double de celui prévu dans le cas d'un propulseur à deux canaux.
Si l'on se reporte aux figures 11 à 13, on voit un propulseur selon l'invention à deux canaux 124A, 124B essentiellement similaire au propulseur des figures 1 à 3. Toutefois, dans le cas des figures 11 à 13, le propulseur est en outre équipé de moyens d'orientation mécanique uniaxe.
Les deux canaux annulaires principaux 124A, 124B et leurs six bobines externes associées 131 assurent une commande souple et aisée de l'orientation du vecteur poussée selon un premier axe, avec un angle pouvant être compris entre 5° et 20°. Les moyens d'orientation mécanique uniaxe permettent de commander l'orientation du vecteur poussée selon un deuxième axe, avec un angle 783 important, par exemple de l'ordre de 50°.
On notera qu'un système d'orientation mécanique uniaxe est beaucoup plus simple, plus léger et plus robuste qu'un système d'orientation mécanique deux axes. En particulier, dans le cas d'un système uniaxe, le centre de gravité 751 du propulseur peut être situé sur l'axe de rotation 782 du dispositif d'orientation, ce qui dispense alors de mettre en oeuvre un dispositif de blocage. Le verrouillage angulaire peut en effet être obtenu directement à l'aide d'un mécanisme de commande de rotation irréversible comprenant par exemple un moteur électrique 177 et un réducteur 179. L'axe de rotation 782 du berceau 175 du propulseur à orientation mécanique peut être matérialisé par deux roulements à contact oblique 178 capables de résister aux efforts dynamiques au cours du lancement du propulseur. L'un au moins des roulements à contact oblique 178 peut être monté sur une membrane élastique 781 permettant de garantir une précontrainte constante et indépendante des gradients thermiques empêchant les coincements, comme décrit par exemple dans le brevet européen 0 325 073. La membrane élastique 781 est elle-même montée sur une embase fixe 176. Les liaisons électriques sont assurées par des câbles souples et l'alimentation en gaz ionisable par des canalisations élastiques.
Le propulseur à deux canaux 124A, 124B avec orientation mécanique uniaxe est particulièrement utile lorsqu'il s'agit de pointer le vecteur poussée selon un angle important sur un axe et selon un angle plus faible sur l'autre.
Ceci est en particulier le cas pour les satellites de télécommunication utilisant la propulsion à plasma pour la fin d'un transfert entre une orbite de transfert géostationnaire (GTO) et une orbite géostationnaire finale (GEO), puis pour un contrôle Nord-Sud, ainsi que pour les missions demandant une loi de vecteur poussée dans le plan orbital, puis en dehors du plan orbital (correction d'inclinaison pour le transfert GTO-GEO ou pour certaines missions planétaires).
D'une manière générale, selon l'invention, le contrôle du vecteur poussée est obtenu en alimentant séparément en fluide propulsif plusieurs canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération 124A à 124D inclus dans un circuit magnétique commun 134, reliés à une cathode creuse unique 140 et à un bloc d'alimentation 190 unique (figure 4).
Pour un champ magnétique radial fixé (déterminé par le courant passant dans la cathode creuse commune 140), il existe une certaine marge de débit masse, donc de courant de décharge, pour un moteur à dérive fermée d'électrons fonctionnant en mode non focalisé (dit encore "mode tige" ou "spike mode" en anglais). La poussée étant sensiblement proportionnelle au courant de décharge et au débit masse dans un petit domaine autour du point de fonctionnement nominal, il devient aisé de contrôler la poussée individuelle de chaque canal 124A à 124D en modifiant le débit masse. Ceci est obtenu facilement à l'aide de régulateurs de débit individuels 185A à 185D comprenant par exemple un thermocapillaire contrôlé par une boucle d'asservissement en courant de décharge. On peut aussi utiliser une microélectrovanne de dosage (à actuateur thermique, ou piézoélectrique ou magnétostrictif).
Dans les propulseurs à plasma stationnaire classiques, un capteur de courant est situé sur la ligne de retour de courant (à un potentiel voisin de la masse, car égal au potentiel cathode diminué de la chute de tension dans les bobines)
Dans le cas présent, il faut en plus mesurer le courant de chaque anode. Le potentiel d'anode étant de 300 V, il est préférable d'effectuer cette mesure par un capteur de courant à isolation galvanique 193A à 193D. Par exemple, on peut mesurer le différentiel de courant entre deux fils en plaçant un capteur à effet Hall sur l'axe de deux solénoïdes bobinés en opposition, chaque solénoïde étant parcouru par le courant d'une anode.
La figure 4 montre le schéma électrique d'un propulseur à trois canaux 124A à 124C (donc à trois anodes 125A à 125C). Chaque anode 125A à 125C est reliée à l'alimentation commune par l'intermédiaire d'un filtre constitué par un circuit L-C (911A à 911C). Cela permet de découpler les fréquences d'oscillations entre chaque canal qui peuvent être légèrement différentes en raison des débits-masses différents.
Vis-à-vis d'un bloc d'alimentations alimentant un propulseur unique, la seule complication apportée consiste en l'adjonction de commandes de régulateurs de débit supplémentaires et de capteurs de courant différentiels à isolation galvanique (92, 921, 922).
Le schéma de la figure 4 est naturellement applicable à un mode de réalisation à quatre canaux 124A à 124D tel que celui des figures 9 et 10. Dans ce cas, il est seulement ajouté une branche supplémentaire dont les éléments sont affectés de la lettre D.
Dans chaque branche correspondant à un canal 124A à 124D, une chambre comprend une anode 125A à 125D et un distributeur 127A à 127D, alimenté en gaz ionisable au moyen d'une canalisation 118A à 118D, d'un isolateur (300A à 300D) et d'un régulateur de débit (185A à 185D), raccordé par un tronçon de canalisation commune d'alimentation 126 contrôlée par une électrovanne 187. La canalisation commune 126 alimente également la cathode creuse 140 au moyen d'un organe de perte de charge 186 et d'un isolateur 300. La décharge est établie entre la cathode creuse 140 et les anodes 125A à 125D au moyen d'un circuit d'alimentation électrique 191. Les oscillations de décharge des différents canaux sont découplées par des filtres 911A à 911D placés entre les différentes anodes 125A à 125D et la cathode 140. Le courant de décharge de chaque anode est contrôlé par une boucle d'asservissement comprenant un capteur de courant 193A à 193D, de préférence à isolation galvanique, un régulateur 192 recevant une consigne 922 de déviation de vecteur poussée pour un contrôle un axe, ou deux consignes 922 de déviation de vecteur poussée pour un contrôle deux axes, et une consigne 921 de courant de décharge total. Le courant de décharge et l'accélération des ions sont contrôlés par la distribution de champ magnétique déterminée par la pièce polaire aval externe 134 commune à tous les canaux, la pièce polaire externe amont 311 commune à tous les canaux, les bobines externes 131 montées sur les noyaux 137 et les pièces polaires internes 135A à 135D montées sur les noyaux 138A à 138D équipés de bobines 133A à 133D. Les extrémités de toutes les pièces polaires ont des profils de tores coaxiaux aux axes 241A à 241D des canaux 124A à 124D. Les bobines internes 133A à 133D et externes 131 sont montées en série entre la cathode et la borne négative du circuit d'alimentation électrique 191 tandis que les différents noyaux sont reliés à l'amont par les barres ferromagnétiques 136. Les circuits de régulation permettent de définir dans chaque canal 124A à 124D une plage de débit typiquement comprise entre 50% et 120% du débit nominal.
Diverses variantes de réalisation des circuits de régulation sont possibles.
Ainsi, selon une variante particulière, le nombre de bobines externes 131 est un multiple du nombre de canaux annulaires principaux 124A à 124D, les bobines de chaque sous-ensemble de bobines 131 attribué à chaque canal 124A à 124D sont montées en série et les différents sous-ensembles de bobines 131 sont montés en parallèle, les impédances des bobines montées en série étant égales.
Selon une autre variante, le nombre des bobines externes 131 est un multiple du nombre de canaux annulaires 124A à 124D et les bobines de chacun des sous ensembles de bobines 131 attribués aux différents canaux sont alimentées par un vernier de courant.
Selon encore une autre variante, il est prévu une boucle numérique d'asservissement de l'orientation du vecteur poussée, les consignes de poussée totale et de déviation du vecteur poussée étant données sous forme numérique, et la consigne de déviation du vecteur poussée a priorité sur la consigne de poussée totale en cas d'incompatibilité entre les deux consignes.
On notera que le propulseur à canaux multiples selon l'invention est capable de fournir la même capacité de contrôle de poussée qu'un propulseur unique monté sur une platine autorisant un débattement de 3°.
Dans le cas d'un propulseur unique appliqué par exemple à un satellite de constellation, la distance entre le propulseur et le centre de gravité du satellite est de l'ordre de 1m. Le couple induit par une poussée F avec un angle de déviation de  degrés est égal à C = F.sin. soit pour 0 = 3° C = 0,0523 F
Dans le cas d'un propulseur selon l'invention à deux canaux distants de 140 mm, avec un diamètre de faisceau unitaire de 100 mm et une poussée unitaire nominale F1=F/2, si les axes des canaux individuels présentent un angle de divergence avec un demi-angle α de 10°, la variation de couple autorisée par la variation de poussée individuelle de chaque canal sera : C = (0,07 + sin10°) (ΔF1 -ΔF2) C = 0,21136 (ΔF1 - ΔF2)
Si les valeurs absolues des variations sont égales, par exécution d'une loi de commande, on obtient: ΔF1 = 0,215 F 1
La variation de poussée qui est ainsi de l'ordre de 20 %, est facilement commandable.
En terme de masse supplémentaire de gaz ionisable embarquée sur un satellite, tel qu'un satellite de télécommunications de 150kg, on peut noter que dans le cas de réalisations de l'art antérieur comprenant deux platines d'orientation, la masse embarquée supplémentaire est supérieure à 12kg. Dans le cas d'un propulseur selon l'invention à une platine unique mais canaux multiples, il est nécessaire d'embarquer une masse supplémentaire de gaz ionisable tel que le xénon de l'ordre de 2kg qui est très nettement inférieure à la masse supplémentaire induite pas les dispositifs de l'art antérieur à deux platines d'orientation.

Claims (24)

  1. Propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons à vecteur poussée orientable, comprenant au moins un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération équipé d'une anode et de moyens d'alimentation en gaz ionisable, un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans ledit canal annulaire principal, et une cathode creuse (140) associée à des moyens d'alimentation en gaz ionisable, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération (124A à 124D) présentant des axes non parallèles (241A à 241D) qui convergent du côté de la sortie aval desdits canaux annulaires principaux (124A à 124D), en ce que le circuit magnétique de création d'un champ magnétique comprend une première pièce polaire aval externe (134) commune à tous les canaux annulaires (124A à 124D), une deuxième pièce polaire externe (311) commune à tous les canaux annulaires (124A à 124D) et disposée en amont de la première pièce polaire aval externe (134), une pluralité de pièces polaires internes (135A à 135D) en nombre égal au nombre de canaux annulaires principaux (124A à 124D) et montées sur des premiers noyaux (138A à 138D) disposés autour des axes (241A à 241D) des canaux annulaires principaux (124A à 124D), une pluralité de premières bobines (133A à 133D) disposées respectivement autour de la pluralité de premiers noyaux (138A à 138D), une pluralité de deuxièmes bobines (131) montées sur des deuxièmes noyaux (137) disposés dans des espaces libres ménagés entre les canaux annulaires principaux (124A à 124D), lesdits deuxièmes noyaux (137) des deuxièmes bobines (131) étant reliés entre eux dans leur partie amont par des barres ferromagnétiques (136) et étant reliés dans leur partie aval à ladite première pièce polaire aval externe (134), et en ce qu'il comprend des moyens (192) pour réguler le débit de l'alimentation en gaz ionisable de chaque canal annulaire principal (124A à 124D) et des moyens (191) de contrôle du courant de décharge et d'accélération des ions dans les canaux annulaires principaux (124A à 124D).
  2. Propulseur à plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que les axes (241A à 241D) des canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération (124A à 124D) convergent sur l'axe géométrique (752) du propulseur.
  3. Propulseur à plasma selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les axes (241A à 241D) des canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération (124A à 124D) forment avec l'axe géométrique (752) du propulseur des angles compris entre 5° et 20°.
  4. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération (124A à 124D) comprend une anode (125A à 125D) associée à un distributeur (127A à 127D) alimenté en gaz ionisable au moyen d'une canalisation (118A à 118D) reliée par un isolateur (300A à 300D) à un régulateur de débit (185A à 185D).
  5. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la cathode creuse (140) est alimentée par une canalisation reliée par un isolateur (300) à un organe de perte de charge (186).
  6. Propulseur à plasma selon la revendication 4 et la revendication 5, caractérisé en ce que les régulateurs de débit (185A à 185D) et l'organe de perte de charge (186) sont alimentés par une canalisation commune (126) contrôlée par une électrovanne (187).
  7. Propulseur à plasma selon les revendications 4 et 5, caractérisé en qu'il comprend un circuit d'alimentation électrique (191) pour établir la décharge entre la cathode creuse (140) et les anodes (125A à 125D) et en ce que les oscillations de décharge des canaux annulaires principaux (124A à 124D) sont découplées par des filtres (911A à 911D) placés entre la cathode (140) et les anodes (125A à 125D).
  8. Propulseur à plasma selon la revendication 7, caractérisé en ce que, pour contrôler les courants de décharge des anodes (125A à 125D), il comprend des boucles d'asservissement comprenant des capteurs de courant (193A à 193D) et un régulateur de courant (192) agissant sur les régulateurs de débit (185A à 185D) et recevant une consigne (921) de courant de décharge total et au moins une consigne (922) de déviation de vecteur poussée pour un contrôle selon au moins un axe, le courant de décharge et d'accélération des ions étant contrôlé par une distribution de champ magnétique déterminée par ledit circuit magnétique dans lequel la pluralité de premières bobines (133A à 133D) et la pluralité de deuxièmes bobines (131) sont montées en série entre la cathode (140) et la borne négative du circuit d'alimentation électrique (191).
  9. Propulseur à plasma selon la revendication 8, caractérisé en ce que les régulateurs de débit (185A à 185D) sont constitués par des thermocapillaires contrôlés par les boucles d'asservissement des courants de décharge.
  10. Propulseur à plasma selon la revendication 8, caractérisé en ce que les régulateurs de débit (185A à 185D) sont constitués par des microélectrovannes de dosage à actuateur thermique, piézoélectrique ou magnétostrictif.
  11. Propulseur à plasma selon la revendication 8, caractérisé en ce que les capteurs de courant (193A à 193D) sont à isolation galvanique pour mesurer le courant de chacune des anodes (125A à 125D) à un potentiel de plusieurs centaines de volts.
  12. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la plage de débit dans chaque canal annulaire principal (124A à 124D) est comprise entre 50 % et 120% du débit nominal.
  13. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le nombre de deuxièmes bobines (131) est compris entre 4 et 10.
  14. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend une embase commune (175) jouant le rôle de radiateur et de logement pour les connexions électriques et fluidiques.
  15. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend deux canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération (124A, 124B).
  16. Propulseur à plasma selon les revendications 14 et 15, caractérisé en ce qu'il comprend deux canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération (124A, 124B) permettant d'effectuer un contrôle selon un premier axe à l'aide des moyens (192) pour réguler le débit de l'alimentation en gaz d'ionisable, et en ce qu'il comprend en outre des moyens mécaniques d'articulation de l'embase (175) du propulseur autour d'un autre axe.
  17. Propulseur à plasma selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'embase (175) du propulseur est articulée autour dudit second axe (782) avec un angle (783) maximum de 50°.
  18. Propulseur à plasma selon la revendication 16 ou la revendication 17, caractérisé en ce que l'embase (175) du propulseur est articulée autour dudit second axe (782) sur deux roulements (178) précontraints par au moins une membrane souple (781) montée sur une plate-forme fixe (176) et directement fixés à l'embase (175), le centre de gravité (751) de l'ensemble mobile étant situé au voisinage de l'axe de rotation (782) et l'angle de rotation (783) étant contrôlé par un moteur électrique (177) et un réducteur (179) assurant le verrouillage angulaire.
  19. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend trois canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération (124A à 124C) répartis en triangle autour de l'axe (752) du propulseur.
  20. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend quatre canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération (124A à 124D) répartis en carré autour de l'axe (752) du propulseur.
  21. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, caractérisé en ce que le nombre des deuxièmes bobines (131) est un multiple du nombre de canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération (124A à 124D), en ce que les bobines de chaque sous-ensemble de deuxièmes bobines (131) attribué à chaque canal (124A à 124D) sont montées en série et en ce que les différents sous-ensembles de deuxièmes bobines (131) sont montés en parallèle, les impédances des bobines montées en série étant égales.
  22. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, caractérisé en ce que le nombre des deuxièmes bobines (131) est un multiple du nombre de canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération (124A à 124D) et en ce que les bobines de chacun des sous-ensembles de deuxièmes bobines (131) attribués aux différents canaux (124A à 124D) sont alimentées par un vernier de courant.
  23. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, caractérisé en ce qu'il comprend une boucle numérique d'asservissement de l'orientation du vecteur poussée, les consignes de poussée totale et de déviation du vecteur poussée étant données sous forme numérique, et la consigne de déviation du vecteur poussée ayant priorité sur la consigne de poussée totale en cas d'incompatibilité entre les deux consignes.
  24. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, 19 et 20, caractérisé en ce que les moyens (192) pour réguler le débit de l'alimentation en gaz ionisable reçoivent deux consignes (922) de déviation de vecteur poussée pour un contrôle selon deux axes.
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